混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验探索

陈佳培 任 磊 向 吉

(1.南京市水利建筑工程有限公司，江苏 南京 210000；2.中国葛洲坝集团股份有限公司，湖北 武汉 430000)

广西大藤峡南木江副坝工程地质较为复杂，为验证设计水工建筑物有盖重灌浆孔布置方式是否合理、是否存在优化可能，同时论证拟采用的有盖重固结灌浆方法的可行性、技术参数的合理性，探索适合有盖重固结灌浆的施工方法、施工程序、灌浆压力、浆液配合比，以及评价有盖重固结灌浆试验后地基的渗透性，研究受灌地层的灌浆特点，开展此次大藤峡南木江副坝混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验研究。

1 工程概况

大藤峡南木江副坝布置在南木江与黔江汇合口下游750m处，主要由黏土心墙石渣坝段、灌溉取水口及生态泄水坝段和混凝土重力坝坝段组成，南木江鱼道过鱼口布置在混凝土重力坝坝段上。

混凝土建筑物固结灌浆设置在坝上0+015.00～坝下0+017.00、桩号0+687.75～0+763.75之间，梅花形布置，灌浆深度为入岩5m，间排距2m×2m，灌浆孔遇伸缩缝时适当调整孔位，与缝的最小距离为0.5m。

固结灌浆试验区位于坝下0+005.00～坝下0+009.00、桩号0+696.75～0+707.75之间，试验轴长11m，混凝土盖重1.3m，灌浆试验孔18个，抬动孔1个，质量检查孔1个。有盖重固结灌浆合格标准为：透水率q≤5Lu。南木江副坝混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验区位置见图1。

图1 南木江副坝混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验区平面(尺寸单位：m)

2 试验区工程地质

2.1 试验区地层岩性

南木江河床段被厚度1m左右的淤泥质黏土覆盖。阶地覆盖层厚度一般8m左右，上部以黏土为主，厚度4～6m，下部为黏土或混合土卵石，厚度约2～5m，两岸岸坡覆盖层厚度1～3m，为黏土或混合土碎石。

基岩为那高岭组第D1n11-7层～第D1n13-1层，岩层走向NNW，倾向NE，倾角3°～8°。由细砂岩、含泥质细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和泥岩构成。

2.2 试验区地质构造

试验区主要发育3条断层，F240断层在左岸山坡通过，断层走向与坝线交角35°，钻孔ZK964孔深9.95m，其揭露的F240断层破碎带由碎裂岩和断层泥组成，F285断层在左岸山坡通过，断层走向与坝线交角67°，断层规模不大，F141断层在右岸山坡露出，断层走向与坝线夹角60°，倾向山里，倾角70°，破碎带宽度不大。

2.3 试验区岩体风化状态及水文地质

左岸山坡强风化带厚度1m左右，弱风化带厚度14～30m。地下水主要为松散堆积层中的空隙潜水和基岩裂隙水。孔隙水主要分布于漫滩、I级阶地的砂石层中。基岩裂隙水主要分布于基岩的风化裂隙中。左岸地下水位埋深15～35m。南木江副坝混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验区地质剖面见图2。

图2 南木江副坝混凝土建筑物有盖重固结灌浆试验区地质剖面 (单位：m)

3 灌浆试验设备及材料

a.钻孔设备：灌浆试验孔采用ZGYX-410E潜孔钻机造孔，检查孔采用XY-Ⅱ型地质钻机，金刚石钻头造孔。

b.灌浆设备：灌浆采用3SNS-A高压灌浆泵，制浆采用ZJ-600L高速制浆机，储浆搅拌机容量为600L。

c.灌浆记录仪：采用自动灌浆记录仪。

d.水泥：固结灌浆试验水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，受潮结块不得使用。

e.水：固结灌浆试验用水由右岸坝肩高位水池供应，用水取自黔江，原水经提升、沉淀后使用。

4 有盖重固结灌浆试验施工程序

固结灌浆试验主要施工项目包括灌浆孔及质量检查孔。

有盖重固结灌浆试验施工程序为：孔位放样→抬动孔施工→固结Ⅰ序孔施工→固结Ⅱ序孔施工→灌后质量检查。

5 有盖重固结灌浆试验施工方法

5.1 测量放样

有盖重固结灌浆试验由测量人员采用全站仪或GPS进行孔位放样，并用红油漆标识清楚，测量时需对孔口高程进行记录。固结灌浆孔孔位偏差不得大于10cm，现场根据实际情况(如需避开预埋仪器及止水等)进行孔位适当调整。

5.2 钻孔施工

抬动观测孔采用风动冲击器钻孔，以ZGYX-410E潜孔钻机为主，抬动观测孔为铅直孔，钻孔孔径76mm。

抬动观测孔钻孔完成后，安装抬动观测装置，抬动变形观测装置在灌浆作业前完成埋设，观测15～20m范围内的灌浆孔，在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中由专人连续进行观测，每10min测计一次读数，并填写观测记录表。

固结灌浆试验钻孔采用ZGYX-410E钻机进行，终孔孔径76mm。质量检查孔采用XY-2钻机配金刚石钻头钻孔。

对于质量检查孔需取芯保留，每一钻进回次岩芯应轻敲取出，岩芯按孔口到孔底的顺序依次排放在岩芯箱内，并用岩芯牌隔开，岩芯按顺序自左而右、自上而下列放，并进行岩芯描述，绘制钻孔柱状图。

5.3 钻孔冲洗、裂隙冲洗及压水试验

5.3.1 钻孔冲洗

固结灌浆试验孔钻孔完成后，采用大流量水流将孔内岩粉等物冲出，直至回水澄清10min后结束，并测量、记录冲洗后钻孔孔深，钻孔冲洗后底残留物厚度不得大于20cm。

5.3.2 裂隙冲洗

固结灌浆试验孔(段)在灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗，裂隙冲洗要求至回水澄清或总时间不小于30min。采用高低压脉动冲洗，压力为灌浆压力的80%。

5.3.3 压水试验

固结灌浆孔压水试验在裂隙冲洗后进行，压水试验采用简易压水试验，压水试验孔数不少于总孔数的5%，灌后质量检查孔压水试验采用五点法。

压水压入流量的稳定标准为：在稳定的压力下，每5min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算值，其成果以透水率q表示。

5.4 灌浆施工

本次有盖重固结灌浆试验一次性成孔、一段灌浆。

固结灌浆采用3SNS灌浆泵、自动记录仪监控记录，灌浆方式采用“孔口阻塞、孔内循环”法施工，孔内射浆管距灌浆段底不大于50cm。

a.灌浆塞采用机械挤压式栓塞，灌浆塞安设在孔口处，防止漏灌。

b.固结灌浆试验孔分二序进行，先施工Ⅰ序孔，在Ⅰ序孔完成后再施工Ⅱ序孔。

c.灌浆压力及段长。ⓐ固结灌浆全孔一段灌浆，段长为5m；ⓑ在施工过程中，由于Ⅰ序孔流量普遍大于50L/min且外漏较普遍，故拟定Ⅰ序孔压力为0.25MPa。Ⅱ序孔压力为0.4MPa。

d.浆液搅拌。水泥浆液搅拌采用ZJ-600L高速制浆机(转速大于1200r/min)，搅拌时间不小于30s，浆液在使用前过筛，滤除较大颗粒，储浆采用低速储浆桶，浆液从制备至用完时间不大于4h。

e.浆液配比及变换：灌浆浆液为纯水泥浆液，浆液配比(重量比)为3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1和0.5 ∶1，灌浆原则上从3 ∶1浆液开灌，由稀到浓逐级变换。

浆液配比变换标准如下：ⓐ当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比；ⓑ当某一比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时(规定时段末的注入率大于开始注入率的70%～80%)，应改浓一级的水灰比；ⓒ当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。

若孔口无回浆或压力小于0.1MPa，则直接灌注0.5 ∶1的水泥浆液；当采用最大浓度浆液施灌，吸浆量很大而不见减少时，采用间歇灌浆法，同时可考虑掺入砂，如因加入掺和料而使吸浆量突减，则应停止使用掺和料。

灌浆过程中，当灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施进行处理。

灌浆过程中应定时测记浆液密度，必要时应测记浆液温度。灌浆结束时亦应测定浆液比重并做出记录。

5.5 结束标准

灌浆段在设计压力下，当注入率不大于1L/min时，持续灌注30min即可结束灌浆。

5.6 封孔

a.灌浆的封孔应采用泵压浆液封孔方式，封填前应尽量将孔内污物冲洗干净，量测孔深。并由施工单位对孔深及全孔灌浆成果分析鉴定，确定合格才可封孔，并填写封孔单以便查核。

b.封孔时必须采用0.5 ∶1的浓浆，排除孔内稀浆后，用该孔设计最大灌浆压力继续纯浆灌浆30min，待孔内水泥浆凝固后，灌浆孔上部空余部分不大于3m，并用水泥砂浆人工填实。

c.封孔后，如发现孔口冒浆或渗水，应扫孔重新封孔。

6 有盖重固结灌浆试验成果分析

6.1 水泥消耗量分析

有盖重固结灌浆生产性试验分段灌浆注入水泥量见表1。

表1 有盖重固结试验灌浆水泥量统计

从表1可看出，固结灌浆Ⅰ序孔注入水泥量为42866kg，平均单位注入量为952.58kg/m，Ⅱ序孔注入水泥量为12700kg，平均单位注入量为282.22kg/m，Ⅰ序孔比Ⅱ序孔注入量大，符合现场实际地址情况。

灌浆试验区域内个别孔灌灰量波动幅度较大，为了达到良好的灌浆质量，NZG11-10、NZG11-11、NZG12-9、NZG12-10每米灌入量达到1000kg以上，反映建基面浅表层原状岩体通道呈不规律分布，导致灌灰量分布不均匀。

试验区共计水泥量为55566kg，平均单位注入量为617.4kg/m，反映试验区地层可灌性较好。

注入量随着灌浆次序递增呈递减趋势，Ⅱ序孔较Ⅰ序孔平均单位注灰量下降670.36kg/m，灌浆效果较为显著。

从单位注灰量频率曲线上可以看出，随着灌浆次序递增，Ⅰ序单位注灰量大于500kg/m频率曲线递增，Ⅱ序小于500kg/m频率曲线递减，符合正常灌浆规律。

大藤峡南木江副坝左岸基础固结灌浆(试验)各次序单位注入量频率及累计曲线见图3。

图3 左岸基础固结灌浆(试验)各次序单位注入量频率及累计曲线

6.2 透水率分析

整体固结灌浆试验区共计18孔，压水按照《广西大藤峡水利枢纽工程副坝灌浆施工技术要求》选取5%共计3段，最大透水率为559.5Lu，最小透水率为27.12Lu，反映受灌地层整体较为破碎、不完整，透水性较好。

固结灌浆试验区根据监理指示布置灌后检查孔1个，检查孔压水结果见表2。

表2 有盖重固结试验灌浆检查孔压水结果

大藤峡南木江副坝左岸基础固结灌浆(试验)各次序透水率及累计曲线见图4。

为了评估管长对纸瓦楞管的影响，选用压缩速率12 mm/min的正五边形纸瓦楞管分析，其吸能特性参数值与轴向压缩载荷-位移曲线如表4与图7所示。X向与Y向正五边形纸瓦楞管在管长为110 mm时，初始峰值载荷、平均压溃载荷皆最高，管长过大反而引起承载力降低。由于纸瓦楞管的承载面积不变，管长的增加使得管的可压缩距离增加，X向纸瓦楞管与Y向纸瓦楞管的总吸能、单位面积吸能、行程利用率都增大，但由于结构总质量也增加，比吸能变化不大，管长为110 mm时纸瓦楞管的比吸能稍优。

图4 左岸基础固结灌浆(试验)各次序透水率及累计曲线

以上数据显示：灌前平均透水率为234.12Lu，灌后平均透水率为1.72Lu。

NZG-T1位于试验区0+705.75，全孔压水透水率满足设计标准，灌浆效果较为明显。

6.3 固结灌浆试验孔串、漏浆分析

试验孔施工过程中有1段发生串浆、外漏情况(见图5)，灌浆时外漏点距离该孔达10m左右，反映受灌层裂隙通畅、扩散半径大、地质条件复杂、岩体裂隙发育丰富。

图5 左岸基础固结灌浆(试验)漏浆现场照片

发生外漏及串浆时，通常采取低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法封堵外漏点。

6.4 钻孔取芯分析

由图6可知，建基面浅、表层岩体呈碎块及砂状，较为破碎。下部岩层节理、裂隙发育，溶蚀现象明显，灌后检查孔内多处可见水泥结石，反映岩层可灌性较好。

图6 盖重固结灌浆试验检查孔钻孔柱状图

7 结 语

b.由灌浆试验及检查孔施工分析可知，所采用的“一次成孔、全孔一段灌浆”是可行的。

c.由灌浆试验及检查孔施工分析可知，灌浆试验排数、孔距、孔序、孔深、灌浆段长、灌浆压力、浆液比重是适宜的。

d.由灌浆试验区水泥灌入量与检查孔取芯及压水可知，基岩面浅、表层通道分布不规律，贯通性差，通过灌浆法施工可以改善浅、表层岩体的完整性。

e.由于裂隙发育丰富，灌浆串、冒浆现象明显，当灌浆发生串、冒浆时，采取浓浆、低压、限流、限量、间歇法灌注，当串、漏浆部位浆液比重达到进浆比重时，吸浆量与灌浆压力无变化，灌浆可待凝24h后扫孔复灌，灌浆能够正常结束，对于类似特殊情况采取该种灌浆方式与处理方法较为适宜。

f.由于透水率与单位注入量均较大，受灌地层节理、裂隙发育，试验时采取的3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1 五个比级可适当优化，提高工效。

g.裂隙冲洗、压水、灌浆过程外漏现象较多，且灌浆串漏部位距灌浆孔较远，浆液扩散半径偏大，导致水泥灌入量偏大。